Ученые ПГУ нашли новый подход к диагностике рака: в этом помогут квантовые технологии
Ученые подведомственного Минобрнауки России Пензенского государственного университета сделали новый шаг в диагностике рака. В основе разработки лежит использование квантовых точек со сложной внутренней структурой. Им удалось установить влияние на них микроокружения опухоли. До пензенских ученых такие исследования не проводились. Разработка исследователей станет хорошим подспорьем для инновационного метода раннего обнаружения рака с использованием квантовых технологий. Об этом написало интернет-издание «Газета.ru».
Во всем мире научное сообщество активно обсуждает, разрабатывает и применяет новые методы в диагностике и лечении рака. Болезнь известна не одно десятилетие, но, к сожалению, найти универсальное средство борьбы с ней так и не удалось. Стоит отметить, некоторые его виды поддаются успешному лечению. У пациентов десятилетиями наблюдается стойкая ремиссия или же вообще отсутствие рецидива.
Одним из методов, который зарекомендовал себя как мощный инструмент для визуализации процессов в живом организме, является использование квантовых точек (КТ) в качестве флуорофоров.
Квантовые точки — это полупроводниковые нанокристаллы с уникальными оптическими и электронными свойствами. Они находят широкое применение в биомедицине. Их преимущество — яркость и высокая фотостабильность.
«Они светятся гораздо дольше, чем традиционные органические красители. Это позволяет достаточно точно в режиме реального времени определять геометрический размер опухоли», — рассказал один из разработчиков, д-р физ.-мат. наук, профессор, декан факультета информационных технологий и электроники ПГУ Владимир Кревчик.
Спектральные свойства квантовых точек зависят от их размера — ими можно управлять. Самый близкий метод к использованию квантовых точек — это применение, как и упоминалось выше, органических красителей — флуорофоров. Поясним. Флуорофоры — это вещества, светящиеся под воздействием излучения. С их помощью удается выявить пораженную ткань (путем ее окрашивания).
«Флуорофоры испускают видимый свет при воздействии на них ультрафиолетом. Они буквально окрашивают злокачественные клетки. На контрольных снимках медики видят размер опухоли и ее границы», — пояснил Владимир Кревчик.
Флуоресцентные красители поступают в организм в виде раствора внутривенно, после организм облучается ультрафиолетовым излучением, и возникает свечение флуорофоров. Это дает картину внутреннего строения организма.
Квантовые технологии превосходят этот способ, но в настоящее время они применяются только в доклинических исследованиях на животных. Квантовые точки применяются со специальными оболочками, что делает их нетоксичными. Для диагностики раковых клеток в человеческом организме говорить еще рано, сказал Владимир Кревчик.
Квантовые технологии существенно расширяют возможности для диагностики и наблюдения за злокачественными опухолями на подопытных животных. Научный коллектив ученых Пензенского госуниверситета впервые предложил использовать квантовые точки с более сложной внутренней структурой для диагностики раковых клеток с учетом влияния на них микроокружения злокачественного новообразования. Исследователи — д-р физ.-мат. наук, профессор, декан факультета информационных технологий и электроники Владимир Кревчик, д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Физика» Михаил Семенов, канд. физ-мат. наук, доцент кафедры «Общая физика и методика обучения физике» Алексей Разумов, старший преподаватель кафедры «Высшая и прикладная математика» Ирина Мойко — получили патент на изобретение «Квантовый сенсор на основе квантовой точки с примесным комплексом (A++e) во внешнем электрическом поле».
Злокачественные клетки поглощают и содержат аминокислоты. Поясним. Аминокислоты — это органические молекулы, состоящие из углерода, азота, кислорода и водорода. Они выступают строительными блоками белков, обеспечивающих нормальную работу организма. Всего известно более 500 аминокислот, но для человеческого организма важны 20. Именно они используются для синтеза белков.
Раковые клетки поглощают аминокислоты и могут выделять их, поэтому микроокружение опухоли перенасыщено ими.
«При попадании в человеческий организм квантовые точки, созданные для обнаружения опухоли, взаимодействуют с аминокислотами, так как последние электрически заряженные, они модифицируют энергетический спектр квантовых точек, и соответственно возникает рекомбинационное излучение. Было также учтено влияние на квантовые точки микроокружения опухоли в виде туннельных процессов», — поделился Владимир Кревчик.
Ученые создали квантовые сенсор для определения аминокислот. Он содержит базовый элемент — полупроводниковую квантовую точку. Пензенские исследователи обращают внимание на аминокислоты с положительным зарядом. Отметим, в природе они бывают с положительным, отрицательным, а также бывают полярными и неполярными.
Внутренняя структура квантовой точки содержит акцепторный центр с присоединенной к нему дыркой и электрон. Последний находится в квантовой точке на самом низшем уровне. При «коммуникации» этих связующих происходит кулоновское взаимодействие.
«Систему необходимо „подготовить”, то есть облучить квантовые точки ультрафиолетовым излучением. Затем электрон „прыгает” на примесный центр с дыркой. Этот процесс называется рекомбинацией. Благодаря ей и возникает излучение, которое нам показывает локализацию и наличие, в нашем случае, новообразования», — пояснил Владимир Кревчик.
Если рядом окажется какая-либо аминокислота, она окажет влияние на рекомбинационное излучение — изменится его длина волны.
«По разности длин волн мы можем говорить о том, что имеется объект с заряженными аминокислотами, значит перед нами опухоль. Такие аминокислоты сосредоточены в ее окрестностях. Для раковых клеток — это питание», — сказал Владимир Кревчик.
Научному коллективу удалось проверить свое предположение с помощью аминокислоты «Метионин», имеющей положительный заряд. Они сравнили раннее проводимые исследования при использовании пробы (раствора) из квантовых точек на модельных животных. В этих работах не учитывалось влияние микроокружения опухоли. А ученые из Пензы обратили на это внимание.
«Да, действительно, присутствие аминокислот влияет на спектр излучения. При таком излучении можно сразу понять, что перед нами раковые клетки», — рассказал Владимир Кревчик.
Достижение ученых ПГУ может стать хорошим подспорьем для развития квантовых технологий в биомедицине. До этого в мировой практике такие исследования не проводили.
